JP2010208300A - 液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノズル配置の高密度化と、圧電アクチュエータによる振動板の変位量の増大とを同時に実現することが可能な液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び該液体吐出ヘッドを備えた画像形成装置を提供する。
【解決手段】 圧電層１１０の中心部（圧力室１０６の中心部と重なる領域）には中央電極１１６が形成されている。中央電極１１６は、環状の上部電極１１４内に接しないように形成されている。中央電極１１６は、圧電層１１０の開口部１１０Ｈを通じて、下部電極１０８と電気的に接続されており、下部電極１０８を介して接地されている。上部電極１１４に負の電荷が印加されると、圧電層１１０は、下部電極１０８から上部電極１１４に向かう方向に分極するとともに、中央電極１１６から上部電極１１４に向かう方向に分極する。このため、上部電極１１４と中央電極１１６との間に縦方向の歪み（縦方向の変位）が発生するので、振動板１０４の撓み変位量が増大する。
【選択図】 図５

Description

本発明は液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び画像形成装置に係り、特に２層の電極膜の間に圧電層が設けられた液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び該液体吐出ヘッドを備えた画像形成装置に関する。

特許文献１には、環状の形状を有し、平面視で圧力室の中心部以外の縁部と重なる領域に、圧力室の中心部を取り囲むように形成された個別電極を備える圧電アクチュエータが開示されている。更に、特許文献１には、環状の個別電極を用いるとともに、圧力室の中心部と重なる領域に圧電層を設けない構造とすることで、振動板の変位量を大きくすることが記載されている。

特許文献２には、プレート状の圧電変換器セグメントの第１の面に単一の連続電極が、第２の面に間隔をおいて交互嵌合配列された第１、第２の電極列が配設されており、連続電極と第１の電極をグラウンド電位に、第２の電極を正電位に接続することが開示されている。

特開２００６−１５０９４８号公報（例えば、段落［０００８］から［００１０］、［００２８］、［００３８］） 特表平５−５００９３３号公報

近年、液体吐出ヘッドのノズルの高密度化が進んでおり、ノズル配置の高密度化（圧電アクチュエータの面積の縮小）と、圧電アクチュエータによる振動板の変位量の増大とを同時に実現することが求められている。

しかしながら、特許文献１のように振動板を覆う圧電層をすべて削ってしまうと、圧電アクチュエータの変位量を大きくすることはできるが、振動板の剛性が低くなってしまう。振動板の剛性が低いと、例えば、粘度が高い液体を吐出させることが困難になるため、変位量がより大きく、かつ、剛性がより高い圧電アクチュエータが求められている。

特許文献２には、電位が異なる電極間での伸び変形効果により変位量の増大を図るものであるが、電極形状が複雑になるため、複数の配線の取り出しが困難である。このため、特許文献２に記載の構成では高密度な圧電アクチュエータを作成するのは困難である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、圧電アクチュエータの振動板の剛性の向上及び振動板の変位量の増大とを実現することが可能な液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び該液体吐出ヘッドを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る液体吐出ヘッドは、平面に沿って配置された複数の圧力室を有する流路ユニットと、前記圧力室の容積を変化させて圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備え、前記圧電アクチュエータは、前記圧力室の一壁面を構成する振動板と、前記振動板の表面に形成された共通電極と、前記共通電極の表面に形成された圧電層と、前記圧電層の表面に形成され、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室の中心部以外の領域である縁部とそれぞれ重なる領域に形成された複数の環状の個別電極と、前記共通電極と電気的に接続された中央電極であって、前記平面に直交する方向から見て、前記環状の個別電極の内側領域に、前記個別電極と接しないように形成された中央電極とを備える。

上記第１の態様によれば、中央電極を設けることにより、振動板の剛性を高めることができる。また、上記第１の態様によれば、個別電極と中央電極との間の圧電層に変位が生じるため、振動板の撓み変位量を増大させることができる。従って、上記第１の態様によれば、圧力室の中央部の振動板の剛性の確保と、変位量の増大を同時に実現することができる。

本発明の第２の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第１の態様において、前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極よりも平面寸法が小さい穴が形成されており、前記中央電極と前記共通電極とが前記穴の内部に形成された金属膜を介して電気的に接続されたものである。

上記第２の態様によれば、共通電極と中央電極との間に電位差が発生しないので、圧電層の中央電極と重なる部分（中央部）に生じる歪みを拘束することができる。これにより、振動板の剛性を高めることができる。従って、上記第２の態様によれば、圧力室の中央部の振動板の剛性の確保と、変位量の増大を同時に実現することができる。

本発明の第３の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第１の態様において、前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極と平面寸法が略等しい穴が形成されており、前記中央電極が、前記穴から前記圧電層の表面側に露呈する前記共通電極の表面に形成されたものである。

上記第３の態様によれば、中央電極の厚さを増すことにより、中央電極と個別電極との間に発生する電界の強度を高めることができ、振動板の変形量をより増大させることができる。また、中央電極の厚さを増して、中央電極と共通電極とを一体化することにより、振動板の剛性を高めることができる。

本発明の第４の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第１の態様において、前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極よりも平面寸法が小さい穴が形成されており、前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域であって、前記穴と重なる位置に、前記中央電極と平面寸法が略等しい凹部が形成されており、前記中央電極が、前記凹部に形成されており、前記中央電極と前記共通電極とが前記穴の内部に形成された金属膜を介して電気的に接続されたものである。

上記第４の態様によれば、中央電極の厚さを増すことにより、中央電極と個別電極との間に発生する電界の強度を高めることができ、振動板の変形量をより増大させることができる。また、中央電極と共通電極の間に圧電層を拘束するとともに、中央電極の厚さを増すことにより、振動板の剛性を高めることができる。

本発明の第５の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第２から第４の態様において、前記圧電層の前記穴が、前記環状の個別電極の内周部の中心に形成されたものである。

上記第５の態様によれば、振動体の圧力室の中心の圧電層の剛性を高めることができる。

本発明の第６の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第１から第５の態様において、前記環状の個別電極と前記中央電極との間の距離を前記圧電層の厚さ以上としたものである。

上記第６の態様によれば、中央電極と個別電極とが短絡することを防止でき、圧電アクチュエータの信頼性を高めることができる。

本発明の第７の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第１から第６の態様において、前記環状の個別電極の内周形状と前記中央電極の平面形状とを略相似形としたものである。

本発明の第８の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第７の態様において、前記環状の個別電極の内周部と前記中央電極とが、前記平面に直交する方向から見て、互いの中心が一致するように配置されたものである。

上記第７及び第８の態様によれば、圧電層の圧力室の中心部側の領域に略均等に電界を作用させることができるので、圧電層を略均等に変位させることができる。

本発明の第９の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第７又は第８の態様において、前記環状の個別電極の内周形状と前記圧力室の平面形状とを略相似形としたものである。

本発明の第１０の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第９の態様において、前記環状の個別電極と前記圧力室とが、前記平面に直交する方向から見て、互いの中心が一致するように配置されたものである。

上記第９及び第１０の態様によれば、振動板を用いて圧力室に略均等に圧力を付与することができる。

本発明の第１１の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第１から第１０の態様において、前記個別電極が、前記圧力室の圧力室隔壁に重なる領域までのびているものである。

上記第１１の態様によれば、個別電極と共通電極との間に生じる電界により変位する圧電層の活性部の面積を大きくすることができ、振動板の変位量をより大きくすることができる。

本発明の第１２の態様に係る画像形成装置は、上記第１から第１１の態様に係る液体吐出ヘッドを備え、前記個別電極が前記圧電体の前記振動板とは反対側の面に配置されており、前記共通電極が接地されており、前記圧電層が前記振動板から前記個別電極に向かう方向に分極されており、インク吐出動作時にのみ、前記個別電極にマイナス電位の駆動電圧波形を印加して、前記圧電層の分極方向と同方向の電界を前記圧電層に作用させる電圧印加手段を更に備える。

上記第１２の態様によれば、インク吐出動作が行われるときにのみ個別電極に駆動電圧を印加するので、通常時には圧電層に電界が作用しない。このため、圧電層の劣化を防止することができ、液体吐出ヘッドの信頼性をより高めることができる。

本発明の第１３の態様に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、（ａ）平面に沿って配置された複数の圧力室を有する流路ユニットにおいて、前記圧力室の一壁面を構成する振動板の表面に共通電極を形成するステップと、（ｂ）前記共通電極の表面に圧電層を形成するステップと、（ｃ）前記平面に直交する方向から見て、前記圧電層の表面の前記複数の圧力室の中心部以外の領域である縁部とそれぞれ重なる領域に複数の環状の個別電極を形成するステップと、（ｄ）前記共通電極と電気的に接続された中央電極を、前記平面に直交する方向から見て、前記環状の個別電極の内側領域に、前記個別電極と接しないように形成するステップとを備える。

本発明の第１４の態様に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、上記第１３の態様において、前記ステップ（ｄ）が、前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極よりも平面寸法が小さい穴を形成するステップと、前記穴の内部及び前記圧電層の表面に金属膜を形成するステップと、前記共通電極と前記穴に形成された前記金属膜を介して電気的に接続された前記中央電極を形成するステップとを備える。

本発明の第１５の態様に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、上記第１３の態様において、前記ステップ（ｄ）が、前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極と平面寸法が略等しい穴を形成するステップと、前記穴から前記圧電層の表面側に露呈する前記共通電極の表面に前記中央電極を形成するステップとを備える。

本発明の第１６の態様に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、上記第１３の態様において、前記ステップ（ｄ）が、前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極よりも平面寸法が小さい穴を形成するステップと、前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域であって、前記穴と重なる位置に、前記中央電極と平面寸法が略等しい凹部を形成するステップと、前記穴の内部及び前記凹部に金属膜を形成して、前記共通電極と前記穴に形成された前記金属膜を介して電気的に接続された前記中央電極を前記凹部に形成するステップとを備える。

本発明によれば、共通電極と中央電極との間に電位差が発生しないので、圧電層の中央電極と重なる部分（中央部）に生じる歪みを拘束することができる。これにより、振動板の剛性を高めることができる。更に、本発明によれば、個別電極と中央電極との間の圧電層に変位が生じるため、振動板の撓み変位量を増大させることができる。従って、本発明によれば、圧力室の中央部の振動板の剛性の確保と、変位量の増大を同時に実現することができる。

本発明の一実施形態に係るインクジェット記録装置を模式的に示す図 インクジェット記録装置の印字部の周辺を示す平面図 インクジェット記録装置の制御系を示すブロック図 本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す図 本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す図 圧電層１１０の変位の状態を模式的に示す断面図 中央電極１１６の平面形状の例を示す平面図 本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す断面図 本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す断面図 本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す断面図 本発明に係る液体吐出ヘッドを駆動する時の駆動電圧の波形を示すグラフ

以下、添付図面に従って本発明に係る液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び画像形成装置の好ましい実施の形態について説明する。

［画像形成装置の構成］
まず、本発明に係る液体吐出ヘッドを備える画像形成装置（インクジェット記録装置）の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るインクジェット記録装置を模式的に示す図であり、図２は、インクジェット記録装置の印字部の周辺を示す平面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るインクジェット記録装置１は、それぞれ黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の４色のインクを吐出する液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙを有する印字部１０を備えており、ホストコンピュータ（図３の符号６０）から入力された画像データに基づいて、印字部１０から記録紙１６の印字面に４色のインクを吐出してカラー画像を形成する装置である。

図２に示すように、印字部１０は、記録紙１６の最大紙幅に対応する長さを有するライン型の液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが紙搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に配置された、いわゆるフルライン型のヘッドである。

インク貯蔵／装填部１４は、ＫＣＭＹの４色のインクを貯蔵する。インク貯蔵／装填部１４に貯蔵されたインクは、インク供給路を介して液体吐出ヘッド１２に供給される。

なお、インク色や色数については上記のＫＣＭＹの標準色（４色）には限定されず、例えば、淡インク、濃インクを吐出する液体吐出ヘッドを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタ等のライト系インクを吐出する液体吐出ヘッドを追加してもよい。

給紙部１８は、印字部１０に記録紙１６を供給する。ロール紙（連続用紙）のマガジンを備えている。なお、紙幅や紙質等が異なるマガジンを複数設けてもよい。また、カット紙が装填されたカセットを設けてもよい。

デカール処理部２０は、給紙部１８から送り出された記録紙１６を加熱ドラム２２により加熱して記録紙１６の巻き癖（カール）を除去する。なお、デカール処理時には、加熱温度を制御して、印字面がやや外側にカールするようにすることが好ましい。

カッター２４は、記録紙１６の印字面の裏面側に配置された固定刃２４Ａと、印字面側に配置された丸刃２４Ｂとを備えている。給紙部１８から送り出された記録紙１６は、カッター２４によって所望のサイズにカットされる。デカール処理部２０によってデカール処理が施され、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２６へと送られる。

吸着ベルト搬送部２６は、２つのローラー２８及び３０と、ローラー２８と３０との間に巻き掛けられた無端状のベルト３２とを備えている。ローラー２８、３０の少なくとも一方にはモータの動力が伝達され、ベルト３２が図１の時計回り方向に駆動される。これにより、ベルト３２の表面に保持された記録紙１６が図１の左から右へと搬送される。

ローラー２８、３０及びベルト３２は、印字部１０の各液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙのノズル面及び印字検出部３４のセンサ面に対向する部分が平面になるように配置されている。

ベルト３２の幅は、記録紙１６の幅よりも広くなっている（図２参照）。ベルト３２の表面には多数の吸引孔（不図示）が形成されている。ベルト３２の内側の印字部１０のノズル面及び印字検出部３４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバー３６が設けられている。吸着チャンバー３６は、ファン３８によって負圧にされる。これにより、記録紙１６がベルト３２の表面に吸着されて保持される。

加熱部４０は、インクが記録紙１６に着弾してから乾燥するまでの時間を短縮するために、印字前に記録紙１６を加熱する。加熱部４０としては、例えば、記録紙１６に加熱空気を吹きつけて加熱する加熱ファンが用いられる。

印字検出部３４は、印字部１０によるインクの打滴結果を撮像するためのイメージセンサを含んでいる。図２に示すように、印字検出部３４は、各液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサにより構成される。なお、印字検出部３４としては、例えば、エリアセンサを用いてもよい。

後乾燥部４２は、記録紙１６の印字面を乾燥させる装置である。後乾燥部４２としては、例えば、加熱ファンが用いられる。

ベルト清掃部４４は、ベルト３２に付着したインクを除去する。ベルト３２を清掃する方式としては、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式を適用することが可能である。

加熱・加圧部４６は、記録紙１６に印字された画像の表面の光沢度を制御するための装置である。加熱・加圧部４６は、後乾燥部４２の後段に配置されており、印字面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラー４８で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

上記のようにして画像が印字された記録紙１６（プリント物）は、排紙部５２から排出される。本実施形態に係るインクジェット記録装置１は、印字対象の画像が印字されたプリント物と、印字結果検出用のテストパターンが印字されたプリント物とを選別してそれぞれの排紙部５２Ａ、５２Ｂに送るために排紙経路を切り換える選別手段（不図示）を備えている。

なお、記録紙１６に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター５０によってテスト印字の部分を切り離す。カッター５０は、上記カッター２４と同様、固定刃５０Ａと丸刃５０Ｂとを含んでいる。

図３は、インクジェット記録装置１の制御系を示すブロック図である。

システムコントローラ６４は、インクジェット記録装置１の各部を制御する制御部である。システムコントローラ６４は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路を含んでおり、ホストコンピュータ６０との間の通信制御、メモリ６８の読み書き制御等を行うとともに、モータ７２及びヒータ７６を制御する制御信号を生成する。

プログラム格納部６６は、各種制御プログラムが格納される記憶領域である。プログラム格納部６６としては、例えば、ＲＯＭやＥＥＰＲＯＭ等の半導体メモリ、ハードディスク等の磁気媒体を用いることができる。

メモリ６８は、各種のデータの記憶領域、及びシステムコントローラ６４が演算を行うときの作業領域を含む記憶装置である。メモリ６８としては、例えば、ＲＡＭ等の半導体メモリ、ハードディスク等の磁気媒体を用いることができる。

通信インターフェース６２は、ホストコンピュータ６０との間で通信接続を行うためのインターフェースである。通信インターフェース６２としては、例えば、ＵＳＢ、IEEE1394等のシリアルインターフェース、セントロニクス等のパラレルインターフェース、無線ネットワーク、イーサネット（登録商標）を適用することができる。通信インターフェース６２を介して入力された画像データは、メモリ６８に一時記憶される。

プリント制御部７８は、システムコントローラ６４から入力される制御信号に従って、メモリ６８に一時記憶された画像データに対して所定の信号処理を施し、印字制御信号（ドットデータ）を生成する。プリント制御部７８は、上記印字制御信号に基づいてヘッドドライバ８２を制御して、印字部１０の各液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙから吐出されるインクの吐出量や吐出タイミングの制御を行う。また、プリント制御部７８は、印字検出部３４から得られるインクの打滴結果に基づいて、印字制御信号を補正する。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。

バッファメモリ８０は、プリント制御部７８が画像データを処理するときの作業領域を含む記憶装置である。

ヘッドドライバ８２は、プリント制御部７８から入力されるドットデータに基づいて、印字部１０（各液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙ）を駆動するための駆動信号を生成し、各液体吐出ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに供給する。

モータドライバ７０は、システムコントローラ６４から入力される制御信号に従ってモータ７２を駆動して、吸着ベルト搬送部２６のローラー２８、３０に動力を伝達し、記録紙１６の搬送制御を行う。

ヒータドライバ７４は、システムコントローラ６４から入力される制御信号に従ってヒータ７６（デカール処理部２０、加熱部４０、後乾燥部４２及び加熱・加圧部４６等に含まれる各種の加熱手段）の加熱制御を行う。

［第１の実施形態］
次に、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッド１２について説明する。図４及び図５は、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す図である。図４（ａ）及び図５（ａ）は液体吐出ヘッドの上面を示す平面図であり、図４（ｂ）及び図５（ｂ）は液体吐出ヘッドの断面図である。

図４（ｂ）に示すように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド１２は、圧力室１０６が形成された流路ユニット１２０と、圧力室１０６の容積を変化させて圧力室１０６内の液体（インク）に圧力を付与する圧電アクチュエータ１１８とを含んでいる。

流路ユニット１２０は、圧力室プレート１０２、スペーサプレート１２２、マニホールドプレート１２４及びノズルプレート１２６が積層されて構成される。圧力室プレート１０２、スペーサプレート１２２及びマニホールドプレート１２４の材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、石英ガラス等のシリコン系材料、又はステンレス等の金属系材料を用いることができる。また、ノズルプレート１２６の材料としては、例えば、ポリイミド等の樹脂系材料、ステンレス等の金属系材料又はシリコンを用いることができる。

圧力室プレート１０２には、複数の圧力室（圧力室孔）１０６が形成されている。圧力室１０６は、平面視で主走査方向に長い略長円形状（略楕円形状）である。圧力室１０６の大きさ（長手方向の長さ）は一例でφ３００μｍである。なお、圧力室１０６の形状は、長円以外の形状（例えば、真円、矩形、多角形）であってもよい。

図４（ａ）に示すように、スペーサプレート１２２には、各圧力室１０６の長手方向両端部に重なる位置にそれぞれ連通孔１２８、１３４が形成されている。また、マニホールドプレート１２４には、連通孔１３０及び共通流路１３６が形成されている。共通流路１３６は、スペーサプレート１２２の連通孔１３４に連通する。マニホールドプレート１２４の連通孔１３０は、スペーサプレート１２２の連通孔１２８と同一形状であり、平面視で互いに重なる位置に形成される。

ノズルプレート１２６の上記連通孔１２８、１３０と重なる位置にはノズル１３２が形成されている。なお、液体吐出ヘッド１２の吐出面（ノズル面）には複数のノズル１３２が２次元状（マトリクス状）に設けられている。ノズル１３２は、例えば、ノズルプレート１２６にエキシマレーザ−加工を施すことにより形成される。

図４に示すように、共通流路１３６は連通孔１３４を介して圧力室１０６に連通し、圧力室１０６は連通孔１２８、１３０を介してノズル１３２に連通する。これにより、インク貯蔵／装填部１４から共通流路１３６を介して圧力室１０６に供給され、このインクが圧力室１０６を経てノズル１３２に至るインク流路が形成される。

次に、圧電アクチュエータ１１８について説明する。圧電アクチュエータ１１８は、圧力室１０６の壁面となる振動板１０４上に形成された下部電極１０８と、圧電層１１０と、圧電層１１０の上に形成された上部電極１１４とを含んでおり、下部電極１０８が共通電極、上部電極１１４が個別電極となる構造（上部アドレス構造）である。

振動板１０４は、絶縁層（例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層であり、振動板１０４の厚さは一例で１０μｍである。なお、振動板１０４の全体を絶縁層としてもよいし、振動板１０４の表面のみに絶縁層を形成してもよい。

圧電層１１０は、圧電体（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３））の層であり、振動板１０４の表面にスパッタ法により形成される。圧電層１１０の膜厚は、一例で３μｍ〜４μｍである。

図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、上部電極１１４は、圧力室１０６の中心部を囲む環状に形成されており、圧力室１０６の中心部以外の領域である縁部（圧力室プレート１０２（圧力室隔壁）の近傍の領域）と重なるように形成されている。

上部電極１１４は、不図示の外部配線（例えば、フレキシブルケーブル）に接続される。上部電極１１４には、この外部配線を介してヘッドドライバ８２から電圧が印加される。下部電極１０８は、不図示の位置において接地されている。

本実施形態では、上部電極１１４の形状を長円形状としたが、その他の形状（例えば、多角形）であってもよい。また、上部電極１１４の内周部の輪郭と外周部の輪郭とを相似形としたが、互いに異なる形状とすることもできる。

なお、圧力室１０６の平面形状は、上部電極１１４の内周形状と略相似な形状とし、圧力室１０６と上部電極１１４とは互いの中心を共有するように配置することが好ましい。これにより、圧電層１１０の圧力室１０６の中心部側の領域に略均等に電界を作用させて、圧力室１０６に略均等に圧力を付与することが可能になる。

図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示す例では、圧電層１１０は、圧力室１０６の外周領域の圧力室プレート１０２（圧力室隔壁）と重なるように形成されている。また、圧電層１１０と上部電極１１４とは、圧力室１０６の中心部側の縁部が平面視で重なるように配置されている。上部電極１１４の径方向の幅Ｄ_３は一例で６０μｍであり、上部電極１１４の圧力室プレート１０２と重なる部分の幅Ｄ_４は一例で５０μｍ、圧力室プレート１０２と重なる幅の寸法Ｄ_５は一例で１０μｍである。これにより、上部電極１１４と下部電極１０８との間に生じる電界により変位する圧電層１１０の活性部の面積を大きくすることができ、振動板１０４の変位量をより大きくすることができる。

図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、圧電層１１０の中心部（圧力室１０６の中心部と重なる領域）には開口部（図８の符号１１０Ｈ）が形成されている。開口部１１０Ｈの径は一例で１０μｍである。

上記圧電層１１０の中心部には中央電極１１６が形成されている。中央電極１１６は、環状の上部電極１１４内に接しないように形成されている。中央電極１１６の径Ｄ_１は一例で１４０μｍであり、中央電極１１６と上部電極１１４の内周部（圧力室１０６の中心部側の縁部）との間の距離Ｄ_２は一例で３０μｍである。

中央電極１１６は、圧電層１１０の開口部１１０Ｈを通じて、下部電極１０８と電気的に接続されており、下部電極１０８を介して接地されている。

図６は、圧電層１１０の変位の状態を模式的に示す断面図である。

図６（ａ）に示すように、圧電層１１０は、下部電極１０８及び上部電極１１４により、矢印Ａ１０の向きに分極処理されている。また、中央電極１１６及び上部電極１１４により、矢印Ａ１２の向きに分極処理されている。

上部電極１１４に電圧が印加されると、矢印Ａ１０の向きに電界が発生するとともに、矢印Ａ１２の向きに電界が発生する。この電界の作用により、圧電層１１０が矢印Ａ２０、Ａ２２の方向に変位し、振動板１０４が図中の上に凸に変形し（図６（ｂ））、圧力室１０６内にインクが取り込まれる。

次に、上部電極１１４への電圧の印加が停止され、上部電極１１４の電位が０［Ｖ］になると、振動板１０４が図６（ａ）の状態に戻る。これにより、ノズル１３２からインクが吐出される。

本実施形態では、通常の変位方向Ａ２０に加えて、上部電極１１４と中央電極１１６との間に矢印Ａ２２に示す縦方向の歪み（縦方向の変位）が発生するため、振動板１０４の図６中上方への撓み変位量を増大させることが可能になる。

ここで、上部電極１１４と中央電極１１６との間の距離Ｄ_２は、両者が短絡しないように、少なくとも圧電層１１０の厚さ以上離れていることが好ましい。但し、上部電極１１４と中央電極１１６との間の距離Ｄ_２は、圧電層１１０の剛性を確保するのに十分な寸法に設計されることが好ましい。

次に、中央電極１１６の平面形状について説明する。図７は、中央電極１１６の平面形状の例を示す平面図である。

図７（ａ）から図７（ｃ）に示すように、上部電極１１４の内周部が長円形状の場合には、図７（ａ）に示す矩形の中央電極１１６ａよりも、図７（ｂ）に示す８角形の中央電極１１６ｂの方が上部電極１１４の内周部の形状により近似するため好ましい。更に、図７（ｃ）に示す長円形状の中央電極１１６ｃが、上部電極１１４の内周部により近似するため更に好ましい。

また、図７（ｄ）から図７（ｆ）に示すように、上部電極１１４の内周部が矩形形状の場合には、図７（ｄ）に示す長円形状の中央電極１１６ｄよりも、図７（ｅ）に示す８角形の中央電極１１６ｅの方が上部電極１１４の内周部の形状により近似するため好ましい。更に、図７（ｆ）に示す長円形状の中央電極１１６ｆが、上部電極１１４の内周部により近似するため更に好ましい。

上記のように、圧電層１１０の圧力室１０６の中心部側の領域に略均等に電界を作用させて、圧力室１０６に略均等に圧力を付与するため、中央電極１１６の平面形状を、上部電極１１４の内周部に近似する形状（例えば、相似形）とし、上部電極１１４と中央電極１１６とを、互いの中心が平面視で略一致するように配置することが好ましい。また、中央電極１１６と下部電極１０８の接続部（圧電層１１０の穴１１０Ｈ）も、上部電極１１４、中央電極１１６及び圧力室１０６の中心と一致するようにすることが好ましい。

本実施形態によれば、上部電極１１４の中央部に中央電極１１６を設け、下部電極１０８を介して設置することにより、下部電極１０８と中央電極１１６との間に電位差が発生しない。これにより、圧電層１１０の中央部に生じる歪みを拘束することができるため、振動板１０４の剛性を高めることができる。更に、本実施形態によれば、上部電極１１４と中央電極１１６との間の圧電層１１０に、図６（ａ）の矢印Ａ２２に示す縦方向の歪み（縦方向の変位）が発生するため、振動板１０４の図６中上方への撓み変位量を増大させることができる。従って、本実施形態によれば、圧力室１０６の中央部の振動板１０４の剛性の確保と、変位量の増大を同時に実現することができる。

なお、下部電極１０８と中央電極１１６とを配線により接続することも考えられるが、本実施形態は配線を形成するスペースを要しない。

［第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法］
次に、本発明の第１の実施形態に係るに液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。図８は、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す断面図である。

まず、圧力室１０６を有するシリコン基板（Ｓｉ基板）からなる圧力室プレート１０２と、圧力室１０６の一壁面を構成する振動板１０４とを備える基板構造体１００が作成される（図８（ａ））。ここで、圧力室１０６の寸法は一例でφ３００μｍである。

次に、振動板１０４の表面に下部電極１０８が形成される（図８（ｂ））。下部電極１０８の材料は、例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｉｒ、ＴｉＷ−Ｉｒ、Ｔｉ−Ｐｔ又はＴｉＷ−Ｐｔである。下部電極１０８の形成方法は、例えば、スパッタ法、蒸着法又はＣＶＤ法である。下部電極１０８の厚さは一例で１００〜３００ｎｍである。

次に、下部電極１０８の表面に、スパッタ法により圧電層１１０が形成される（図８（ｃ））。圧電層１１０の材料は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）である。圧電層１１０の膜厚は一例で３μｍ〜４μｍである。

次に、圧電層１１０の圧力室１０６の中心部に対応する位置に穴１１０Ｈが形成される（図８（ｄ））。図８（ｄ）の工程では、圧電層１１０は有機膜又は金属膜をマスクとして、フッ素系ガス又は塩素系ガスを用いたドライエッチング（ＲＩＥ）によりパターニングされる。ここで、穴１１０Ｈの径は一例で１０μｍ以下である。また、圧電層１１０が形成された後、酸素雰囲気中で所定の加熱温度（アニール温度）で圧電層１１０のアニール処理が行われる。

次に、圧電層１１０の表面に電極膜１１２が形成される（図８（ｅ））。電極膜１１２の材料は、例えば、ＴｉＷ−Ａｕ、Ｔｉ−Ａｕ、ＴｉＷ−Ｃｕ又はＴｉ−Ｃｕ等の材料である。また、電極膜１１２の厚さは一例で１００〜３００ｎｍである。図８（ｅ）の工程では、圧電層１１０の穴１１０Ｈ内に電極膜１１２が形成され、下部電極１０８と電極膜１１２とが電気的に接続される。

次に、電極膜１１２がエッチング（ドライエッチング又はウェットエッチング）されて、環状の上部電極１１４と中央電極１１６とが形成される（図８（ｆ））。図８（ｆ）の工程では、例えば、有機膜又は金属膜をマスクとして、フッ素系ガス又は塩素系ガスを用いたドライエッチング（ＲＩＥ）又はウェットエッチングにより電極膜１１２がパターニングされる。

次に、圧力室プレート１０２の図中下面に、スペーサプレート１２２、マニホールドプレート１２４及びノズルプレート１２６が取り付けられて、液体吐出ヘッド１２が完成する。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上記第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

本実施形態は、圧電層１１０に形成する穴１１０Ｈの寸法を中央電極１１６の寸法と略等しくしたものである。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す断面図である。なお、図９（ａ）から図９（ｃ）までの工程は、図８（ａ）から図８（ｃ）とそれぞれ同様である。

図９（ｃ）の工程において圧電層１１０が形成された後、圧電層１１０の圧力室１０６の中心部に対応する位置に、ドライエッチングにより穴１１０Ｈが形成される（図９（ｄ））。穴１１０Ｈの径は中央電極１１６の径Ｄ_１と略等しく、一例で１４０μｍである。

次に、圧電層１１０の表面に電極膜１１２が形成される（図９（ｅ））。図９（ｅ）の工程では、圧電層１１０の穴１１０Ｈ内に電極膜１１２が形成され、下部電極１０８と電極膜１１２とが電気的に接続される。

次に、電極膜１１２がエッチング（ドライエッチング又はウェットエッチング）されて、環状の上部電極１１４と電極膜１１６Ａとが形成される（図９（ｆ））。

次に、電極膜１１６Ａの表面に電界メッキ処理が施され、例えば、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ構造の金属膜が電極膜１１６Ａの表面に積層される。これにより、下部電極１０８と一体化した柱状の中央電極１１６が形成される（図９（ｇ））。なお、図９（ｇ）の符号Ｄ_２からＤ_５は上記第１の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、柱状の中央電極１１６を形成することにより、振動板１０４の剛性を高めることができる。また、本実施形態によれば、上部電極１１４と中央電極１１６との間に生じる電界の強度を高めることができるので、図６（ａ）の矢印Ａ２２に示す縦方向の歪み（縦方向の変位）を大きくすることができ、振動板１０４の撓み変位量をより増大させることが可能になる。

なお、本実施形態では、中央電極１１６を柱状（例えば、円柱状又は角柱状）としたが、例えば、下部電極１０８から上方にのび、上方ほど断面積が広がる円錐状又は角錐状に形成してもよい。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上記第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

本実施形態は、圧電層１１０に中央電極１１６の寸法と略等しい凹部を形成して、中央電極１１６の厚さを厚くしたものである。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す断面図である。なお、図１０（ａ）から図１０（ｃ）までの工程は、図８（ａ）から図８（ｃ）とそれぞれ同様である。

図１０（ｃ）の工程において圧電層１１０が形成された後、圧電層１１０の圧力室１０６の中心部に対応する位置に、ドライエッチングにより穴１１０Ｈ_１が形成される（図１０（ｄ））。ここで、穴１１０Ｈ_１の径は一例で１０μｍ以下である。

次に、上記穴１１０Ｈ_１の図中上側に、ドライエッチングにより凹部１１０Ｈ_２が形成される（図１０（ｅ））。ここで、凹部１１０Ｈ_２の径は中央電極１１６の径Ｄ_１と略等しく、一例で１４０μｍである。

次に、圧電層１１０の表面に電極膜１１２が形成される（図１０（ｆ））。図１０（ｆ）の工程では、圧電層１１０の穴１１０Ｈ_１及び凹部１１０Ｈ_２内に電極膜１１２が形成され、下部電極１０８と電極膜１１２とが電気的に接続される。

次に、電極膜１１２がエッチング（ドライエッチング又はウェットエッチング）されて、環状の上部電極１１４と電極膜１１６Ａとが形成される（図１０（ｇ））。

次に、電極膜１１６Ａの表面に電界メッキ処理が施され、例えば、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ構造の金属膜が電極膜１１６Ａの表面に積層される。これにより、穴１１０Ｈ_１を介して下部電極１０８と電気的に接続した中央電極１１６が形成される（図１０（ｈ））。なお、図１０（ｈ）の符号Ｄ_２からＤ_５は上記第１の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、上部電極１１４と中央電極１１６との間に生じる電界の強度を高めることができるので、図６（ａ）の矢印Ａ２２に示す縦方向の歪み（縦方向の変位）を大きくすることができ、振動板１０４の撓み変位量をより増大させることが可能になる。更に、本実施形態によれば、下部電極１０８と中央電極１１６により圧電層１１０の中央部に生じる歪みを拘束するとともに、中央電極１１６の厚さを増すことができるため、振動板１０４の剛性を高めることができる。

［液体吐出ヘッドの駆動方法］
上記の実施形態では、圧電層１１０がスパッタ法により形成されるので、下記のような効果も得ることができる。スパッタ法により形成された圧電層１１０の分極方向は通常とは逆向き、即ち、振動板１０４から上部電極１１４に向かう方向（図４（ｂ）等の上向き）になる。このため、圧電層１１０の分極方向と同方向の電界を作用させるためには、下部電極１０８をグランドに接地して電位０［Ｖ］としたときには、上部電極１１４がマイナス側の電位となるように駆動電圧を印加する必要がある。

図１１に示すように、インク吐出動作が行われるとき以外の通常時には上部電極１１４の電位は０［Ｖ］になっており、振動板１０４は変形していない。インク吐出動作開始後、上部電極１１４の電位を０［Ｖ］から−Ｖ１［Ｖ］（但し、Ｖ１＞０）に変化させて振動板１０４を変形させて圧力室１０６の容積を拡げることにより、インク貯蔵／装填部１４から共通流路１３６を介して圧力室１０６内にインクが引き込まれる。そして、圧力室１０６内に発生した圧力波が正に転じるタイミングで、上部電極１１４の電位を−Ｖ１［Ｖ］から０［Ｖ］にして振動板１０４を変形前の状態に戻す。これにより、圧力室１０６内のインクが加圧されてノズル１３２からインク液滴が吐出される。

本実施形態によれば、インク吐出動作が行われるとき以外の通常時には上部電極１１４に駆動電圧は印加されず、圧電層１１０に電界が作用しないので、圧電層１１０の劣化を防止することができる。これにより、液体吐出ヘッド１２の信頼性をより高めることができる。

なお、本発明は、上記インクを吐出する液体吐出ヘッド以外の液体吐出ヘッド（例えば、導電ペーストを吐出して基板上に微細な配線パターンを形成するための液体吐出ヘッドや、有機発光体を基板上に吐出して高精細ディスプレイを形成するための液体吐出ヘッド、光学樹脂を基板上に吐出して光導波路等の微小電子デバイスを形成するための液体吐出ヘッド）にも適用することが可能である。

１…インクジェット記録装置、１０…印字部、１２…液体吐出ヘッド、１４…インク貯蔵／装填部、１６…記録紙、１８…給紙部、２０…デカール処理部、２２…加熱ドラム、２４…カッター、２６…吸着ベルト搬送部、２８、３０…ローラー、３２…ベルト、３４…印字検出部、３６…吸着チャンバー、３８…ファン、４０…加熱部、４２…後乾燥部、４４…ベルト清掃部、４６…加熱・加圧部、４８…加圧ローラー、５０…カッター、５２…排紙部、６０…ホストコンピュータ、６２…通信インターフェース、６４…システムコントローラ、６６…プログラム格納部、６８…メモリ、７０…モータドライバ、７２…モータ、７４…ヒータドライバ、７６…ヒータ、７８…プリント制御部、８０…バッファメモリ、８２…ヘッドドライバ、１００…基板構造体、１０２…圧力室プレート、１０４…振動板、１０６…圧力室、１０８…下部電極、１１０…圧電層、１１２…電極膜、１１４…上部電極、１１６…中央電極

Claims (16)

1. 平面に沿って配置された複数の圧力室を有する流路ユニットと、
   前記圧力室の容積を変化させて圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備え、
   前記圧電アクチュエータは、
   前記圧力室の一壁面を構成する振動板と、
   前記振動板の表面に形成された共通電極と、
   前記共通電極の表面に形成された圧電層と、
   前記圧電層の表面に形成され、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室の中心部以外の領域である縁部とそれぞれ重なる領域に形成された複数の環状の個別電極と、
   前記共通電極と電気的に接続された中央電極であって、前記平面に直交する方向から見て、前記環状の個別電極の内側領域に、前記個別電極と接しないように形成された中央電極と、
   を備える液体吐出ヘッド。
2. 前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極よりも平面寸法が小さい穴が形成されており、
   前記中央電極と前記共通電極とが前記穴の内部に形成された金属膜を介して電気的に接続される請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極と平面寸法が略等しい穴が形成されており、
   前記中央電極が、前記穴から前記圧電層の表面側に露呈する前記共通電極の表面に形成される請求項１記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極よりも平面寸法が小さい穴が形成されており、
   前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域であって、前記穴と重なる位置に、前記中央電極と平面寸法が略等しい凹部が形成されており、
   前記中央電極が、前記凹部に形成されており、
   前記中央電極と前記共通電極とが前記穴の内部に形成された金属膜を介して電気的に接続される請求項１記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記圧電層の前記穴が、前記環状の個別電極の内周部の中心に形成される請求項２から４のいずれか１項記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記環状の個別電極と前記中央電極との間の距離が前記圧電層の厚さ以上である請求項１から５のいずれか１項記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記環状の個別電極の内周形状が前記中央電極の平面形状と略相似形である請求項１から６のいずれか１項記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記環状の個別電極の内周部と前記中央電極とが、前記平面に直交する方向から見て、互いの中心が一致するように配置される請求項７記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記環状の個別電極の内周形状が前記圧力室の平面形状と略相似形である請求項７又は８記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記環状の個別電極と前記圧力室とが、前記平面に直交する方向から見て、互いの中心が一致するように配置される請求項９記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記個別電極が、前記圧力室の圧力室隔壁に重なる領域までのびている請求項１から１０のいずれか１項記載の液体吐出ヘッド。
12. 請求項１から１１のいずれか１項記載の液体吐出ヘッドを備える画像形成装置において、
    前記個別電極が前記圧電体の前記振動板とは反対側の面に配置されており、
    前記共通電極が接地されており、
    前記圧電層が前記振動板から前記個別電極に向かう方向に分極されており、
    インク吐出動作時にのみ、前記個別電極にマイナス電位の駆動電圧波形を印加して、前記圧電層の分極方向と同方向の電界を前記圧電層に作用させる電圧印加手段を更に備える画像形成装置。
13. （ａ） 平面に沿って配置された複数の圧力室を有する流路ユニットにおいて、前記圧力室の一壁面を構成する振動板の表面に共通電極を形成するステップと、
    （ｂ） 前記共通電極の表面に圧電層を形成するステップと、
    （ｃ） 前記平面に直交する方向から見て、前記圧電層の表面の前記複数の圧力室の中心部以外の領域である縁部とそれぞれ重なる領域に複数の環状の個別電極を形成するステップと、
    （ｄ） 前記共通電極と電気的に接続された中央電極を、前記平面に直交する方向から見て、前記環状の個別電極の内側領域に、前記個別電極と接しないように形成するステップと、
    を備える液体吐出ヘッドの製造方法。
14. 前記ステップ（ｄ）が、
    前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極よりも平面寸法が小さい穴を形成するステップと、
    前記穴の内部及び前記圧電層の表面に金属膜を形成するステップと、
    前記共通電極と前記穴に形成された前記金属膜を介して電気的に接続された前記中央電極を形成するステップと、
    を備える請求項１３記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
15. 前記ステップ（ｄ）が、
    前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極と平面寸法が略等しい穴を形成するステップと、
    前記穴から前記圧電層の表面側に露呈する前記共通電極の表面に前記中央電極を形成するステップと、
    を備える請求項１３記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
16. 前記ステップ（ｄ）が、
    前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域に、前記中央電極よりも平面寸法が小さい穴を形成するステップと、
    前記圧電層表面の前記複数の圧力室の中心部とそれぞれ重なる領域であって、前記穴と重なる位置に、前記中央電極と平面寸法が略等しい凹部を形成するステップと、
    前記穴の内部及び前記凹部に金属膜を形成して、前記共通電極と前記穴に形成された前記金属膜を介して電気的に接続された前記中央電極を前記凹部に形成するステップと、
    を備える請求項１３記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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